CN112803381B - 全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法及装置，接触网设置有断路器，其中，方法包括：采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；根据电流信号确定电流变化率，并根据电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。由此，通过采集计算接触网断路器处电压信号和电流信号，通过差动原理对接触网进行保护，并通过距离保护进行后备保护。

Description

全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法及装置

技术领域

本申请涉及及轨道工程的电气自动化技术领域，特别涉及一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法及装置。

背景技术

电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行。另一方面，电气化铁路牵引供电系统对于外部电力系统而言具有三相分布不对称性、冲击性、非线性等特点，在现行电网条件下，成倍增长的牵引负荷使包括负序、谐波等在内的电能质量问题正日显突出，成为影响电力系统和电铁负荷安全稳定运行的重要因素。

贯通式柔性牵引供电系统技术，基于静止功率变换器(Static Power Converter，SPC)，可实现供电网与接触网完全解耦，无需滤波装置和无功补偿装置，全线可彻底取消电分相，并提高接触网供电品质、供电可靠性和供电能力以及供电系统故障穿越能力，便于储能和新型绿色能源的接入，具有很好的发展前景，是未来的发展趋势。

接触网保护是贯通式柔性交流牵引供电技术安全稳定运行和广泛应用的关键和难点问题。常规非全贯通方式下，接触网故障电流由常规变压器提供，短路电流非常大，线路具有较大残压，一般选用距离保护作为主保护。但是，在贯通式柔性交流牵引供电方式下，接触网故障电流完全由牵引所内的电力电子变流器提供，短路电流较小，往往低于正常负载电流，线路残压基本非常低，可能导致距离保护因测量不准而拒动。

此外，贯通式柔性牵引供电系统中，接触网上一般配置断路器，接触网保护依靠接触网断路器来实现。一般地，对于由异相供电改造成的贯通式柔性供电系统，接触网断路器为与单侧或者双侧电分相并联的断路器；对于新建的贯通式柔性牵引供电系统，接触网断路器为与绝缘电分段并联的断路器。在这种系统结构下，接触网故障时，多个接触网断路器的电流可能相等，不能够再采用过电流保护作为后备保护。

因此，针对含接触网断路器的贯通式柔性牵引供电系统，有必要研究新型的接触网主保护和后备保护。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一目的在于提出一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法，通过采集计算接触网断路器处电压信号和电流信号，通过差动原理对接触网进行保护，并通过距离保护进行后备保护。

本发明的第二个目的在于提出一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置。

本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。

本发明的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提供一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法，所述接触网设置有断路器，所述方法包括以下步骤：

采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；

根据所述电流信号确定电流变化率，并根据所述电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；以及

根据所述电压信号和所述电流信号确定阻抗值，并根据所述阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

可选地，所述根据选择的差动判据采取对应保护动作，包括：

基于预设的电回路结构进行差动元件选择；

判断是否满足差动启动判据，并在满足所述差动启动判据时，判断是否满足差动动作判据；

如果满足所述差动动作判据，则跳开所述差动元件对应的断路器。

为达到上述目的，本申请第二方面实施例提供一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置，所述接触网设置有断路器，装置包括：

采集模块，用于采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；

第一保护模块，用于根据所述电流信号确定电流变化率，并根据所述电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；以及

第二保护模块，用于根据所述电压信号和所述电流信号确定阻抗值，并根据所述阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

可选地，所述第一保护模块，具体用于：

基于预设的电回路结构进行差动元件选择；

判断是否满足差动启动判据，并在满足所述差动启动判据时，判断是否满足差动动作判据；

如果满足所述差动动作判据，则跳开所述差动元件对应的断路器。

为达到上述目的，本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行如上述实施例所述的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

为达到上述目的，本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上述实施例所述的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

由此，本申请实施例可以采集计算接触网断路器处电压信号和电流信号，通过差动原理对接触网进行保护，并通过距离保护进行后备保护。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法的流程图；

图2为根据本申请一个实施例的差动保护流程图流程图；

图3为根据本申请一个实施例的由异相供电改造成的贯通式柔性供电系统在电分相并联有断路器时的差动保护原理示意图；

图4为根据本申请一个实施例的新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路两侧安装断路器时的差动保护原理示意图；

图5为根据本申请一个实施例的新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路单侧安装断路器时的差动保护原理示意图；

图6为根据本申请一个实施例的由异相供电改造成的贯通式柔性供电系统在电分相并联有断路器时的距离保护原理示意图；

图7为根据本申请一个实施例的新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路两侧均安装断路器时的距离保护原理示例图；

图8为根据本申请一个实施例的新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路单侧安装断路器时的距离保护原理示例图；

图9为本申请实施例的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置的方框示意图；

图10为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法的流程示意图，其中，贯通式柔性牵引供电系统为接触网上任意相邻两点间电压相位相同的供电方式，该实施例中，接触网设置有断路器。

如图1所示，该全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法包括以下步骤：

在步骤S101中，采集接触网断路器处的电压信号和电流信号。

在步骤S102中，根据所述电流信号确定电流变化率，并根据所述电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作。

可以理解的是，本申请实施例在进行差动元件选择时，对于由异相供电改造成的贯通式柔性供电系统，在电分相并联有断路器时，如图3所示，以牵引所1的30开关为例，差动元件为牵引所1的30开关、分区所的10开关、电分相1-8130开关和2-8130开关上的电流构成：

Id＝|I_1-30+I_2-10+I_1-813+I_2-813|；

对于分区所的10开关，电分相上的1-8130和2-8130开关，差动元件与上式一致。

进一步地，新建的贯通式柔性供电系统，一般存在两种拓扑结构：(1)一段接触网线路两侧均安装有断路器；(2)一段接触网线路仅有一侧安装断路器。

作为一种可能实现的方式，如图4所示，图4为新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路两侧安装断路器时的差动保护原理示意图，本申请实施例可以通过断路器区分为线路保护区和母线保护区，分别构成差动元件。

具体地，线路保护区由接触网线路两端的断路器上电流构成：

Id＝|I₁+I₂|；

母线区由接触网两端线路相邻的断路器和牵引所馈线断路器上电流构成：

Id＝|I₃+I₄+I₅|；

作为另一种可能实现的方式，如图5所示，图5为新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路单侧安装断路器时的差动保护原理示意图，即单侧安装断路器的接触网线路，无法区分线路和母线差动元件。因此，差动元件可以由接触网两端线路相邻的断路器和牵引所馈线断路器上电流构成：

Id＝|I₁+I₂+I₃|。

进一步地，在差动元件选择好后，本申请实施例可以使用电流变化率作为差动启动判据：

ΔId>ΔIset；

其中，ΔId为上一节中计算的差动元件计算值的变化量，即后一时间点的值减去前一时间点的值的差值，ΔIset为差动启动判据整定值，

其中，差动启动判据整定值的整定方法可以通过下述方式进行实现：

根据机车参数，确定每台机车运行的最大电流变化率ΔI_t，根据线路长度和机车数量，计算全线最大数量的机车同时出现最大电流变化率时，全线电流的最大变化率ΔI_tall，按照运行经验制定可靠系数k，一般可取k＝1.2，则有：

ΔIset＝kΔI_tall。

进一步地，本申请实施例可以通过下述方式进行差动动作判据。

接触网故障时，所有或部分SPC进入限流模式，故障电流全部流入故障点，依据此原理，动作判据设计为：

Id>Iset；

整定差动动作判据Iset为SPC进入限流模式后的总输出电流值乘以灵敏度系数k，即：

Iset＝kI_SPC；

其中k根据运行经验确定，一般可以取k＝0.8。

差动动作后，跳开保护对应的开关。

在步骤S103中，根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

可以理解的是，对于由异相供电改造成的贯通式柔性供电系统，在电分相并联有断路器时，由于经接触网电分相贯通、馈线开关处于分位，接触网上断路器流过的电流处处相等，无法进行选择性判别，因此不能配备电流保护，使用距离保护作为后备保护，如图6所示：

以牵引所1的10断路器为例，其阻抗算法为：

Z_1-10＝U_1-10/I_1-10；

其中，U_1-10和I_1-10分别为牵引所1断路器上测量的电压和电流有效值。

牵引所1的10断路器到电分相断路器1-13之间的阻抗记为Z₁，则牵引所1的10断路器上距离保护整定值为：

Z_1-10set＝0.8*Z₁；

距离保护动作判据为：

Z_1-10<Z_1-10set；

作为一种可能实现的方式，如图7所示，图7为新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路两侧均安装断路器时的距离保护原理示例图，线路保护区内，两侧开关分别设置距离保护定值，整定值为：

Z_set＝0.8*Z₁；

其中，Z₁是线路全长的阻抗值。

母线保护区内，各开关处距离保护整定值均为到其他开关处阻抗值的较小值乘以0.8 倍，即：

Z_setA＝0.8*min(Z_AC，Z_AB)；

Z_setB＝0.8*min(Z_BC，Z_AB)；

Z_setC＝0.8*min(Z_AC，Z_BC)；

其中，Z_setA、Z_setB、Z_setC分别为开关A、B、C处的距离保护整定值，Z_AB、Z_BC、Z_AC分别为开关A到开关B处的阻抗值、开关B到开关C处的阻抗值和开关A到开关C处的阻抗值，min 表示取二者中较小的值。

作为另一种可能实现的方式，如图8所示，图8为新建的贯通式柔性供电系统在接触网线路单侧安装断路器时的距离保护原理示例图，不需要区分线路保护区和母线保护区，直接按照三个阻抗中取较小值的方法进行距离保护整定，即：

Z_setA＝0.8*min(Z_AC，Z_AB)；

Z_setB＝0.8*min(Z_BC，Z_AB)；

Z_setC＝0.8*min(Z_AC，Z_BC)；

其中，Z_setA、Z_setB、Z_setC分别为开关A、B、C处的距离保护整定值，Z_AB、Z_BC、Z_AC分别为开关A到开关B处的阻抗值、开关B到开关C处的阻抗值和开关A到开关C处的阻抗值，min 表示取二者中较小的值。

根据本申请实施例提出的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法，采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；根据电流信号确定电流变化率，并根据电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。由此，本申请实施例可以采集计算接触网断路器处电压信号和电流信号，通过差动原理对接触网进行保护，并通过距离保护进行后备保护。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置。

图9是本申请实施例的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置的方框示意图，该实施例中，接触网设置有断路器。

如图9所示，该全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置10包括：判别模块 100、第一保护模块200和第二保护模块300。

其中，采集模块100用于采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；

第一保护模块200用于根据电流信号确定电流变化率，并根据电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；以及

第二保护模块300用于根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

可选地，第一保护模块200具体用于：

基于预设的电回路结构进行差动元件选择；

判断是否满足差动启动判据，并在满足差动启动判据时，判断是否满足差动动作判据；

如果满足差动动作判据，则跳开差动元件对应的断路器。

需要说明的是，前述对全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法实施例的解释说明也适用于该实施例的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置，采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；根据电流信号确定电流变化率，并根据电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和根据电压信号和电流信号确定阻抗值，并根据阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。由此，本申请实施例可以采集计算接触网断路器处电压信号和电流信号，通过差动原理对接触网进行保护，并通过距离保护进行后备保护。

图10为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：

存储器1201、处理器1202及存储在存储器1201上并可在处理器1202上运行的计算机程序。

处理器1202执行程序时实现上述实施例中提供的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

进一步地，电子设备还包括：

通信接口1203，用于存储器1201和处理器1202之间的通信。

存储器1201，用于存放可在处理器1202上运行的计算机程序。

存储器1201可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器1201、处理器1202和通信接口1203独立实现，则通信接口1203、存储器1201和处理器1202可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器1201、处理器1202及通信接口1203，集成在一块芯片上实现，则存储器1201、处理器1202及通信接口1203可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器1202可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法，其特征在于，所述接触网设置有断路器，所述方法包括以下步骤：

基于预设的电回路结构进行差动元件选择；

当电回路结构为接触网两侧均设置有断路器时，差动元件包括线路差动元件和母线差动元件；

当电回路结构为接触网单侧设置有断路器时，差动元件由接触网两端线路相邻的断路器和牵引所馈线断路器上电流构成；

采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；

根据所述电流信号确定电流变化率，并根据所述电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；以及

根据所述电压信号和所述电流信号确定阻抗值，并根据所述阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据选择的差动判据采取对应保护动作，包括：

判断是否满足差动启动判据，并在满足所述差动启动判据时，判断是否满足差动动作判据；

如果满足所述差动动作判据，则跳开所述差动元件对应的断路器。

3.一种全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护装置，其特征在于，所述接触网设置有断路器，所述装置包括：

元件选择模块，用于基于预设的电回路结构进行差动元件选择；当电回路结构为接触网两侧均设置有断路器时，差动元件包括线路差动元件和母线差动元件；当电回路结构为接触网单侧设置有断路器时，差动元件由接触网两端线路相邻的断路器和牵引所馈线断路器上电流构成；

采集模块，用于采集接触网断路器处的电压信号和电流信号；

第一保护模块，用于根据所述电流信号确定电流变化率，并根据所述电流变化率和预设的差动计算原则进行差动判据选择，并根据选择的差动判据采取对应保护动作；以及第二保护模块，用于根据所述电压信号和所述电流信号确定阻抗值，并根据所述阻抗值和预设距离阈值进行每段接触网的保护区划分，以作为差动保护的后备保护。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一保护模块，具体用于：

判断是否满足差动启动判据，并在满足所述差动启动判据时，判断是否满足差动动作判据；

如果满足所述差动动作判据，则跳开所述差动元件对应的断路器。

5.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-2任一项所述的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-2任一项所述的全贯通式柔性牵引供电系统的接触网差动保护方法。

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